钛合金

第3期李　菊,等:钛合金焊接过程应力应变特点分析

直至残余状态

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降温过程中(线段D,E),焊缝冷却收缩受近缝区金

属的拉伸.钛合金TC4的“力学熔点”设定为800℃,因而温度升到800℃之后(线段B)和降至800℃之前(线段D)焊缝区处于“力学熔化”状态,该区域内的应力仍接近0值.在图3a中从熔点冷却至800℃的时间段D内,弹性应变仍为接近0的小值.正由于“力学熔化”状态的存在,使得受拉伸的焊缝金属在此时间段D内产生拉伸塑性应变,该拉伸塑性应变的产生部分抵消了已存在的压缩塑性应变,从而使焊缝内的不协调应变总量减小.在温度低于800℃后(线段E),力学抗力恢复,焊缝内产生拉伸弹性应变,而已形成的压缩塑性应变不再发生变化

p

(图3a中虚线εx的平直段E).随着冷却过程的进

e行,弹性拉应变逐渐增大(图3a实线εx的E段,图3b的E段).拉应变增大的速度随着冷却的进行

逐渐减慢,直至室温,形成残余拉应力.

由此可见,在冷却阶段(线段D,E),熔池凝固

p

而收缩,产生了拉伸塑性卸载应变(图3a虚线εx的D段);当焊缝温度降至“力学熔点”以后,焊缝中仍

p

保留下来的压缩塑性应变(图3a虚线εx的E和较小的拉伸弹性卸载应变(图3ax的图3bE段);(图2,y=8和10)形成;,纵向总应变仍保持为压缩塑性应变.

图3a直观地显示了在y=0mm焊缝中心轴线上,温度曲线T随时间的变化(热循环),压缩塑性

pe

应变εx的发展如虚线所示,拉伸弹性应变εx如实线所示.图中阴影部分为上述两曲线相叠加之和,即为纵向总应变的发展过程.可以发现,直至残余状态,焊缝中心线上点的纵向总应变仍保留了少量

epεε的压缩塑性应变(ε.0012).x=x+x=-0

在图4a上能更直观地看到,随着焊接升温(曲线T)跨越“力学熔化”和熔池,遵循连续介质力学原理,在y=0mm焊缝中心轴线上产生了压缩塑性应变,如虚线上0-1线段所示.在熔池凝固和连续降温至800℃的过程中,所累积的拉伸塑性应变如虚线上1-2线段所示.在随后的冷却过程中,拉伸塑性应变值保持不变,如虚线上2-3线段所示.图4a中阴影区I为拉伸塑性应变随时间发展的历史.与此同时,在800℃以下的降温过程中,伴随着材料力学抗力的逐渐恢复,拉伸弹性应变生成,直至

e

室温的残余状态,如图4a上实线εx所示.正如图4a中虚线ε区使压缩塑性应变的总x所示,虽然I

量有所减低,但纵向塑性应变的总量仍保留了负值,

p

e

图4　纵向应变过程及纵向应力应变循环曲线

Fig14　Longitudinalstresshistoriesandlongitudinalstress2

straincycle

图4b为在y=0mm焊缝中心轴线上,遵循连续介质力学原理的纵向应力应变循环曲线,如实线A→B→C→D→E所示.线段E相应于在800℃以下的降温过程中的应力应变关系曲线.伴随着材料力学抗力逐渐恢复而产生的拉伸弹性应变与压缩塑性应变总量之和,在残余状态仍保留了负值(在零应变纵坐标的左侧-0.0012处,与图3a相对应).若将“力学熔化”区和熔池从连续介质中割裂开来,以为“焊缝经熔化,应力应变完全消失后又重

[11,12]

新开始产生焊缝应力应变”,这无异于抛弃连续介质力学原理,将图4a上的曲线0123位移至01′2′3′,I区错位到I′区;同样,在图4b上则是将压缩

塑性应变与拉伸弹性应变总量之和的实线线段D和E用虚线线段D′和E′所取代,阴影区错位到了零应变纵坐标线的右侧.这就是“焊缝不存在压缩塑性应变”和“焊接残余应力不是压缩塑性应变引起”的症结所在.2.3　讨　　论

上述有限元计算结果与试验测试数据进行了对比,其中包括热循环曲线、残余不协调应变的分布以

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及残余应力等.数值计算与试验数据相互验证,验证了数值模拟正确地反映了实际物理过程.在钛

[11,12]